Hvorfor har børsteløse motorer en kv-vurdering?

Dreiemomentutgangen til en elektrisk motor er direkte proporsjonal med motorstrømmen (ikke spenning!), og strømmen (I) er omtrent lik

$$ I = \ dfrac {V- \ varepsilon} {R} $$

Hvor V er motorens forsyningsspenning, R er viklingsmotstanden og ε er den bakelektromotoriske kraften (bak EMF).

KV og bak EMF

Den bakre EMF er spenningen som ville være til stede ved motorklemmene når motoren spinner uten at noe er koblet til den. Denne spenningen produseres av motoren, hvis du vil, og den er direkte proporsjonal med rotasjonshastigheten. KV-vurderingen er ingenting annet enn en annen måte å angi forholdet mellom rotasjonshastighet og EMF (KV ≈ RPM / ε). Det begrenser maksimal motorhastighet ved en hvilken som helst gitt batterispenning, fordi ved noen KV-avhengig hastighet vil back-EMF » avbryte » batterispenningen. Dette forhindrer at mer strøm strømmer til motoren og reduserer dermed dreiemomentet til null.

Når du slår på motoren for første gang, er hastigheten null. Dette betyr at bakre EMF også er null, så det eneste som begrenser motorstrømmen er viklingsmotstanden og forsyningsspenningen. Hvis motorstyringen (ESC) skulle sende ut full batterispenning til motoren ved lave hastigheter, ville motoren og / eller ESC bare smelte ned.

Spenning, frekvens, gass og hastighet

I børsteløs motorstyring med lukket sløyfe styres ikke motorhastigheten (som utgangsfrekvensen er en funksjon av) direkte. Gassen kontrollerer i stedet utgangsspenningen, og ESC justerer kontinuerlig utgangsfrekvensen som svar på faseskiftet mellom rotorens vinkel og drivbølgeformen. Fasen på baksiden av EMF forteller sensorløse ESC-er direkte rotorens nåværende vinkel, mens sensorerte ESC-er bruker hall-effekt-sensorer for samme formål.

Gjør ting omvendt (stiller frekvensen direkte og styrer spenning som svar på den målte faseforskyvningen) vil bli en fin balanseringshandling:

• Hvis du stiller for lav spenning, vil det føre til at for lite strøm strømmer, noe som begrenser dreiemomentet. Hvis dreiemomentet faller, men belastningen forblir konstant, må motoren senke farten, noe som fører til umiddelbar tap av synkronisering. motoren og ESC unødvendig.

Dermed er det optimale effektivitetspunktet ustabilt med » frekvens først » kontroll. En kontrollsløyfe kan holde den nær, men hvis ESC ikke kan reagere raskt nok til et last, vil forbigående tap av synkronisering oppstå. Dette gjelder ikke for » spenning først » kontroll, der en last forbigående bare vil forårsake en kortvarig reduksjon i hastighet uten skadelige effekter.

ESCer som brukes i kollektive pitch RC-helikoptre har ofte en » guvernør » -funksjon, som opprettholder en fast motorhastighet proporsjonal med gassinnstillingen. Selv disse ESC-ene styrer faktisk ikke frekvensen direkte, i stedet for å implementere en PID kontroller som setter spenningen som svar på forskjellen mellom ønsket og faktisk frekvens.

ESC » timing »

Motortiminginnstillingen til ESC justerer innstillingsverdien til denne mekanisk-elektriske faseforskyvningen: Høy timing betyr at ESC-utgangen fører den avkjente rotorposisjonen ved f.eks. 25 grader, mens med lav timing holdes denne faseskiftet mye nærmere null. En høy tidsinnstilling gir mer kraft mindre effektivt.

Dreiemoment

Vanlige RC ESC-er kan ikke utføre konstant dreiemomentkontroll eller dreiemomentbegrensning, siden de mangler strømregistreringskretser som et kostnads- og vektbesparende tiltak . Dreiemomentutgangen styres ikke på noen måte; motoren produserer bare så mye dreiemoment (og trekker proporsjonalt like mye strøm) som belastningen krever med en gitt hastighet.For å forhindre hurtig gasspjeld fra å overbelaste ESC, batteri og / eller motor (ettersom å overvinne treghet gir potensielt ubegrenset dreiemoment), har ESC vanligvis begrensninger for akselerasjon og spenning ved en gitt frekvens.

Bremsing

Hvis motoren fortsetter å spinne med eksterne midler mens spenningen reduseres, vil til slutt EMF på baksiden bli større enn nivået ESC prøver å kjøre. Dette forårsaker negativ strøm og bremser motoren. Elektrisiteten som dermed produseres, blir enten spredt i motorspolene eller matet tilbake til strømforsyningen / batteriet, avhengig av PWM forfallsmodus som brukes.

Kommentarer

• Takk for den detaljerte forklaringen @jms. Så hvis jeg forstår riktig, øker gasspolen amplituden til vekselstrømssignalet på de 3 motorkablene, noe som øyeblikkelig skaper en faseforskyvning, som esc oppdager (med tilbake emf?) Og deretter endrer frekvensutgangen tilsvarende?
• @ThomasKirven At ‘ er riktig, og en veldig fin måte å si det på.
• Det bør gjøres klart » kv-vurdering » har ingenting å gjøre med dreiemoment
• @ TonyStewart.EEs ‘ 75 Mens de er helt forskjellige parametere, det er en avveining mellom de to: Når du kjøper to motorer av samme størrelse, masse og design, men den ene er viklet til en høyere KV enn den andre, vil den høye KV-motoren spinne raskere og generere mindre dreiemoment ved samme strøminngang.
• ja selvfølgelig som tannhjul på sykkel, dreiemoment mot hastighet, men ikke relatert til HP eller faktisk kraft

Et ESC-gen priser 3-faset vekselstrøm. Og etter det jeg forstår, bestemmer frekvensen til vekselstrømsbølgeformen helt motorhastigheten, og amplituden (toppspenning minus dalspenning) til bølgeformen er mer eller mindre konstant. For meg virker dette som om spenning egentlig ikke har noe å gjøre med å bestemme hastigheten til en børsteløs motor.

Beklager, men dette er feil. Motorene som brukes i quadcopters er børsteløse DC-motorer (BLDC), som tilsvarer en børstet DC-motor, men med elektronisk kommutering.

Motorhastighet bestemmes av spenningen («back-emf») motoren genererer når den snurrer, ikke kommuteringsfrekvensen (som må følges i låsetrinn med motorens rotasjon eller den vil ikke snurre). BLDC-motorer har permanente magneter, så back-emf er direkte proporsjonal med rpm. Back-emf er lik påført spenning minus spenningsfall over viklingsmotstanden og induktansen, og motoren vil øke hastigheten eller bremse når den trekker strømmen som kreves for å produsere dreiemomentet absorbert av lasten – nøyaktig det samme som en børstet DC-motor.

ESC styrer motorhastigheten ved å variere spenningen som påføres den. Vanligvis gjøres dette med PWM, slik at toppspenningen alltid er lik batterispenningen, men gjennomsnittlig spenning (som motoren reagerer på) varierer i henhold til PWM av / på-forhold. ESC produserer hvilken kommuteringsfrekvens motoren krever av den, i likhet med hvordan ankeret i en børstet motor får kommutatoren til å bytte med den frekvensen den krever.

Så den påførte spenningen har alt å gjøre med motorhastigheten. Dette er grunnen til at disse motorene har en Kv-klassifisering – det er en viktig parameter for å bestemme hvilket turtall som kan oppnås med en bestemt spenning. Siden kraften som absorberes av en propell, er proporsjonal med den tredje effekten av rpm og den fjerde effekten av propeldiameteren, er Kv en kritisk parameter når du samsvarer med komponentene i et quadcopter.

Den spesifiserte Kv-verdien skal være den teoretiske o / min ved 1V når motoren ikke trekker strøm. Imidlertid beregnes det ofte ved ganske enkelt å dele målt tomgangsturtall med påført spenning, noe som gir en litt lavere (feil) verdi. Og akkurat som hastigheten til en børstet motor kan økes ved å skyve børstene frem, slik kan en børsteløs ESC øke den effektive Kv til en BLDC-motor ved å fremme kommuteringstimingen. Legg til produksjonstoleranser og dårlig kvalitetskontroll, og det er ikke vanlig at en motor har en faktisk Kv 20% høyere eller lavere enn spesifikasjonen.

Motorer designet for andre bruksområder har ofte ikke Kv-karakter fordi det ikke anses som så viktig. Imidlertid er vanligvis ikke-turtall ved nominell spenning, hvor Kv kan avledes. Motoren «Dreiemomentkonstant (Kt) kan også spesifiseres. Kv er det omvendte av Kt.

Kommentarer

• Det virker misvisende å snakke om spenning på motoren, siden signalet er vekselstrøm og alltid varierer. Hvis jeg målte bølgeformutgangen til en ESC mens jeg var koblet til en faktisk motor, ville jeg virkelig se bølgeformen vokse i amplitude ved høyere gassverdier?
• Spenningen må konverteres fra RMS til DC for å få den ekvivalente kommuterte børstetype DC-motoren eller den faktiske gjennomsnittlige DC påført ESC som genererer PWM-modulert DC. Ignorer ESC-pendling og 3 faser for å forstå det. Det er ikke en frekvensstyringsstasjon.
• » Hvis jeg målte bølgeformutgangen til en ESC mens jeg var koblet til en faktisk motor, ville jeg virkelig se bølgeformen vokse i amplitude ved høyere gassverdier ?? » – Sorter av. Du vil se en PWM firkantbølge med driftssyklus øker ved høyere gassverdier. PWM-bølgen er topp for 1 kommuteringstrinn, og ramper deretter ned / opp lineært i 2 trinn for å komme til motsatt polaritet (gjennomsnittsspenningen sporer en trapesformet bølgeform). Dette er ‘ AC ‘ ved kommuteringsfrekvensen, men ‘ gjennomsnittlig DC ‘ ved PWM-frekvensen.
• @Tony Stewart det er her det blir komplisert. Med lavfrekvent PWM slås strømmen helt av og på slik at motoren reagerer på PWM-bølgen ‘ s rms-spenning, og gasskurven er ikke-lineær (mer kraft enn forventet ved lav gasspjeld, men også mer oppvarming og lavere effektivitet). Når PWM-frekvensen økes, får motoren ‘ induktansen strømmen jevnere slik at spenningsresponsen skifter fra rms til gjennomsnittet, og gasskurven blir lineær.
• og hvis kommuteringsfrekvensen er for rask for ESC, vipper den og faller ut av himmelen .. kanskje et lavtrykkspunkt som forårsaker rask RPM-økning.

Hvorfor har børsteløse motorer en kv-vurdering?

«kv Rating» har ingenting å gjøre med forventet dreiemoment, strøm, kraft, skyv, løft eller dra

• Unntaket er at relativt moment kan endres med antall magneter og antall statorviklinger per omdreining, slik som gir, kan dette forholdet endres. Så på en måte er motorer av samme størrelse med relativt høyere kv-verdier laget for mer hastighet og mindre løft.

Det er basert på antall magneter, antall statorviklinger per rotasjon, antall faser per pol og har ingen indikasjon på kraft.

Det er rent rotasjonshastigheten som genererer tilbake EMF-spenning for å matche den påførte spenningen. Denne kampen skjer bare uten belastning, og dra reduserer dette forholdet opptil 10% med økning mot nominell spenning avhengig av iboende tap. (f.eks. Virvelstrøm, friksjon, generelt liten sammenlignet med effekt nytte. Endring av viklingsstatormønsteret eller endring av antall magneter vil endre antall RPM-forhold per volt for det samme materialet som brukes som girutvekslingen på en sykkel.

• • Eksempelberegninger med forskjellige magneter, Bestem feltrotasjon

    • totalmagneter / 2 = feltrotasjonsfaktor

    • Feltrotasjonsfaktor * kV = magnetisk syklus / V

    • Så med 14 magneter, feltrotasjonsfaktor = 7, dermed feltrotasjon = 7609 sykluser / v

    • For 2200 kv:

      • 14 magnet – 2200 * 7 = 154000 sykluser / V
      • 10 magnet – 2200 * 5 = 11000 sykluser / V
      • 8 magnet – 2200 * 4 = 8800 sykluser / V

Effekt er en funksjon av strøm og belastning bare er rangert med ELLER en lineær belastning eller den ikke-lineære belastningen til den aerodynamiske propellen. eller en inkrementell lineær belastning når det gjelder gm / W eller gm / A der gm er propellkraften.

Bakgrunnsminiatyrbilde om teori (over forenklet)

• Den er basert på fysikkens lover definert av Maxwell og i større detalj av Heaviside og Lorenz som beviste at denne styrken på ladning q er et produkt av summen av E-feltet og hastigheten til B-feltet.

Så vektorvektningene sier. F = q (E + vxB)

Lorenz-kraft , F som virker på en partikkel med elektrisk ladning q med øyeblikkelig hastighet v, på grunn av et eksternt elektrisk felt E og magnetfelt B. Denne kraften er det vi kaller Elektromagnetisk kraft og blir matchet av den bakre EMF uten belastning.

Vinkelhastigheten per volt er en mer kompleks en med antall statorpoler og rotorpoler som gir en ratiometrisk konvertering og kommuteringen til motorstrømmen blir automatisk reversert bare et tilstrekkelig antall buesekunder etter nullmagnetfeltet for å sikre ingen død stopp.(design / prosessfeil)

Således er den magnetiske ladningshastigheten proporsjonal med feltstyrken som skyldes spenning og blir også referert til som EMF-feltstyrke tilbake

Kommentarer

• De som kan finne feil må bevise det, de som anerkjenner sannheten burde godkjenne det
• Dette er teknisk riktig så jeg nullstillte (+1) dine stemmer, men det er definitivt en mye mer forståelig måte å si dette på måten du ‘ prøver å uttrykke det.
• Jeg legger til a +1 også, dette dekker hvor konstantene kommer fra. Jeg har lagt til et svar som knytter Kv, Kt og Ke
• @Daniel var enig, men teorien blir bare kastet inn for å vise røttene til de magnetiske prinsippene som er langt mer komplekse enn denne leseren ‘ s fordøyelsesversjon. BEMF kan tolkes på forskjellige måter, men samsvarer alltid med Vin uten belastning, uansett om det er megawatt eller en milliwattmotor.
• Kjenn til noen kilder som forklarer dette i grusete detaljer, ned til de tidsvarierende feltene som brukes i maxwells ligninger?

KV-vurderingen refererer til maksimum RPM / volt som kan oppnås med motoren – så en 2300 KV-motor ved 1 V ville fungere i hastigheter opptil 2300 RPM, uavhengig av frekvens. Jo lavere spenning, desto lavere er det maksimale dreiemomentet motoren kan produsere. Hvis du skulle øke frekvensen og prøve å kjøre den med høyere hastighet, ville ikke motoren ha nok dreiemoment til å overvinne friksjonen ved den hastigheten og stopp.

Kommentarer

• Så er det faktiske nullmomentet RPM for den spenningen? dvs. er det bølgeformens toppspenning når du snurrer den med en bor ved den turtallet?
• Nullmomentet turtall vil vanligvis være et sted over KV-klassifiseringen – KV-karakteren er bare et punkt der motoren kan gi et rimelig dreiemoment og å kjøre det med en høyere frekvens kan føre til redusert dreiemoment, upålitelig drift eller til slutt stanse når det ikke lenger kan overvinne friksjon.
• Har du ytterligere informasjon du kan legge til svaret ditt liker hvor og hvorfor denne vurderingen ble utviklet? Det ser ut til å være ganske begrenset til quad-copters og lignende markeder.
• Det ‘ er vanskelig å fortelle, men det ble sannsynligvis utviklet av RC-industrien som en måte å rangere motorer for en sikker maksimal hastighet. Jeg har aldri sett dette på børsteløse motorer beregnet på ikke-RC-applikasjoner
• Så amplituden til signalet som en ESC produserer er faktisk ikke konstant?

For en BLDC-maskin er det to nøkkelkonstanter

\ $ K_t \ $ med enhetene Nm / A

\ $ K_e \ $ med enheter V / \ $ \ omega \ $ (topp linjelinjespenning)

For en ideell BLDC-maskin \ $ K_t \ equiv K_e \ $ men på grunn av spesifikasjoner for hvor disse to konstanter en definert (\ $ K_e \ $ er åpen terminal spenning & \ $ K_t \ $ er dreiemomentproduksjon ved nominell strøm) \ $ K_t \ $ har en tendens til å være lavere pga. metning av statoren

Hva må dette gjøres med BLDC-motorer for kvadrotorer & \ $ K_v \ $

Vel \ $ K_v \ $ er bare den gjensidige av \ $ K_e \ $ ONCE konvertert til rpm.

Fordi quadrotors og slike RC-enheter vanligvis er begrenset med forsyningsspenning, vil denne rpm konstant fortelle deg rotorhastigheten som kan oppnås ( losset) for en gitt batteri. På samme måte kan du estimere dreiemomentet som kan produseres på grunn av forholdet mellom disse konstantene.

En ESCs rolle er å holde statorstrømmen 90 grader i forhold til rotorfluksen. Dette gjøres ved bruk av posisjonssensor, som hallelement eller ved å bruke tilbake EMF-sensing – sensorfri kontroll.
Videre kan ESC sende sinusbølge trefaset utgang, såkalt FOC (Field Oriented Control) eller firkantet spenning, hvor bare to spoler er koblet til samtidig, den tredje blir flytende.
Det er ikke tilfelle at rotoren følger statorfeltet, snarere det motsatte – det er statorarkivet som følger rotorposisjonen. Med FOC , er amplituden til vektorstatorspenningen konstant og roterer i forhold til rotorposisjon. Spenningen må være høyere enn EMF-generert spenning for å spinne motoren. Det er her Kv-faktoren spiller en rolle.

Ikke sikker på hvorfor dette er savnet sitert i denne sammenhengen.

Det skal være V / krpm. eller volt / 1000 omdreininger / minutt. Jeg kunne forstå V / k kort hånd, men kv er kilovolt.
Kanskje volt mellom ben på motoren eller et bein og nøytral kan være am stor, men konvensjonen er mellom to ben på motorledningene.Jeg antar at det er fordi det er lettere hvis det ikke finnes noen nøytral ledning.

Kommentarer

• Nei, kilovolt er skrevet som ‘ kV ‘, ikke ‘ kv ‘. Se en.wikipedia.org/wiki/… .